作為NEDO“戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃”中的重要成員，Novel Crystal Technology Co., Ltd.致力于“β-Ga2O3肖特基勢(shì)壘二極管商業(yè)化開發(fā)”，近日宣布Novel已開發(fā)出溝槽型安培級(jí)1200 V 耐壓“氧化鎵肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)”，這一成就是劃時(shí)代的。

圖1在2英寸晶圓上制造的安培級(jí)1200 V耐壓氧化鎵肖特基勢(shì)壘二極管的外觀照片

 

這一工作成果將極大地推動(dòng)高耐壓氧化鎵SBD的商業(yè)化進(jìn)程，從而進(jìn)一步有效提高（超）寬禁帶電力電子器件的性價(jià)比。該氧化鎵SBD的應(yīng)用將有效推動(dòng)如光伏發(fā)電用功率轉(zhuǎn)換器、工業(yè)用逆變器和電源等電力電子設(shè)備的進(jìn)一步高效和小型化。有望為汽車以及空中飛行器的電氣化推進(jìn)做出貢獻(xiàn)。相關(guān)研究成果詳見發(fā)表于日本應(yīng)用物理學(xué)會(huì)2021年12月15日的網(wǎng)絡(luò)版《Applied Physics Express》期刊。

 

由于氧化鎵（β-Ga2O3）材料※1相較碳化硅（SiC）※2和氮化鎵（GaN）材料※3更優(yōu)越的材料性能和更低的制造成本，基于氧化鎵材料的功率器件有望成為家用電器、電動(dòng)汽車、軌道交通、工業(yè)設(shè)備、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等各種低損耗、低成本、高功率密度的電力電子應(yīng)用場(chǎng)景的的理想候選※4。圍繞氧化鎵材料生長(zhǎng)、器件設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)應(yīng)用的研究正在世界范圍內(nèi)的公司和研究機(jī)構(gòu)的研究中加速展開。

 

作為新能源和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合發(fā)開機(jī)構(gòu)（NEDO）“戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃”的重要成員，Novel Crystal Technology, Inc.于2017年啟動(dòng)β-Ga2O3器件商業(yè)化項(xiàng)目，利用NCT的在該領(lǐng)域深厚的研究基礎(chǔ)和工藝積累，我們成功開發(fā)了2英寸晶圓的溝槽型※5β-Ga2O3SBD※6的生產(chǎn)工藝，并首次成功開發(fā)了溝槽型大電流1200V耐壓的β-Ga2O3SBD（見圖1）。未來，預(yù)計(jì)基于該開發(fā)成果的高壓大電流β-Ga2O3SBD將有望應(yīng)用于下一代高壓、大功率的電力電子應(yīng)用場(chǎng)景。

 

Novel的這些成果源自Novel的母公司-田村制作所和一系列NEDO的項(xiàng)目支持。田村制作所基于2011-2013年NEDO“節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目/超高壓氧化鎵功率器件的研發(fā)”的部分項(xiàng)目成果，于2015年成功研發(fā)出全球首個(gè)功率器件用β-Ga2O3外延技術(shù)。2018年，Novel獲NEDO“戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃/安培級(jí)氧化鎵器件”資助項(xiàng)目，開啟了功率器件用大電流β-Ga2O3SBD的商業(yè)化開發(fā)進(jìn)程；2020年，Novel再作為主要參與者之一，獲得NEDO“戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃/β-Ga2O3SBD器件商業(yè)化”項(xiàng)目資助。相關(guān)研究成果詳見發(fā)表于日本應(yīng)用物理學(xué)會(huì)2021年12月15日的網(wǎng)絡(luò)版《Applied Physics Express》期刊。

 

【本次成果】

迄今為止，對(duì)于大電流β-Ga2O3SBD，Planar型※7結(jié)構(gòu)由于較易開發(fā)而被廣泛采用。但由于PlanarSBD漏電※8大等原因，此結(jié)構(gòu)很難制造出耐壓※9 1200V以上的Ga2O3SBD。Novel Crystal TechnologyInc.于2017年成功開發(fā)并展示了將反向漏電流降低到1/1000的溝槽型Ga2O3SBD的技術(shù)及原型，圖2是Novel開發(fā)的β-Ga2O3溝槽型SBD的截面結(jié)構(gòu)圖和光學(xué)顯微照片。目前，Novel已實(shí)現(xiàn)2英寸Ga2O3SBD的批量生產(chǎn)。本次我們基于Novel2英寸工藝首次展示的溝槽型β-Ga2O3SBD，其正向電流※10IF= 2 A（VF = 2.0 V）（圖3a），耐壓1200 V時(shí)漏電流<10 -9A（圖3b）。該工作使得目前基于Novel的100 mm 工藝線的系列產(chǎn)品開發(fā)、大規(guī)模生產(chǎn)以及1200 V β-Ga2O3SBD 產(chǎn)品級(jí)的電器性能和可靠性評(píng)估成為可能，從而加快推動(dòng)高壓大電流低損耗的β-Ga2O3功率器件商業(yè)化進(jìn)程。

圖2β-Ga2O3溝槽型SBD的橫截面結(jié)構(gòu)，光學(xué)顯微照片

圖3β-Ga2O3溝槽型SBD的電流-電壓
 

【未來計(jì)劃】

通過NEDO的項(xiàng)目，Novel將加快推動(dòng)此次試制成功的安培級(jí)1200Vβ-Ga2O3SBD器件的制造工藝和可靠性評(píng)估的建立，力爭(zhēng)于2023年實(shí)現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品商業(yè)化。于此同時(shí)，我們也將基于2021年6月推出的高品質(zhì)Ga2O3100毫米外延片技術(shù)，建設(shè)100mm高品質(zhì)β-Ga2O3外延量產(chǎn)線。

 

得益于該技術(shù)的突破，中高壓高速二極管的市場(chǎng)規(guī)模，預(yù)計(jì)將從2022年的1200億日元擴(kuò)大至2030年的1500億日元（富士經(jīng)濟(jì)《2021下一代功率器件和電力電子相關(guān)設(shè)備市場(chǎng)的現(xiàn)狀和未來展望》)。Novel將攜β-Ga2O3SBD相關(guān)技術(shù)進(jìn)入這一主要市場(chǎng)，為節(jié)能社會(huì)貢獻(xiàn)力量。